SEL DEWASA DAPAT DIJADIKAN BERSIFAT PLURIPOTENT (Review Penerima Nobel 2012 Di Bidang Fisiologi/Kesehatan)

Sel punca (stem cell) merupakan sel yang relative belum terspesialisasi dan dapat mereproduksi diri sendiri secara tak terbatas dan apabila terdapat pada kondisi yang sesuai maka sel-sel tersebut dapat berdeferensiasi menjadi sel-sel terspesialisasi dari satu tipe sel atau lebih (Cambell N. A. et al. 2008). Selain itu juga, dibanyak jaringan mereka bertindak layaknya system perbaikan internal (Internal Repair System), ketika Stem cell membelah, masing-masing sel baru memiliki potensi tetap sebagai Stem cell atau menjadi sel jenis lain dengan fungsi yang spesifik, seperti sel otot, sel darah merah, atau sel otak (Saputra V. 2006).

          1. Dogma Lama yang Terbantahkan

Stem cell atau dalam bahasan Indonesia lebih dikenal dengan istilah sel punca merupakan sel, atau jaringan yang tidak/belum terspesialisasi dan  mempunyai 2 sifat (Saputra V. 2006):

1. Kemampuan untuk berdiferensiasi menjadi sel lain (differentiate). Dalam hal ini stem cell mampu berkembang menjadi berbagai jenis sel matang, misalnya sel saraf, sel otot jantung, sel otot rangka, sel pankreas, dan lain-lain.

Gambar 1. Perkembangan sel embrio dan sifatnya (Yu Junying dan Thomson J. A.  2006).

2. Kemampuan untuk memperbaharui atau meregenerasi dirinya sendiri (self-regenerate/self-renew). Dalam hal ini stem cell dapat membuat salinan sel yang persis sama dengan dirinya melalui pembelahan sel.

Gambar  2. Dr. John B. Gurdon (kiri) dan Dr. Shinya Yamanaka (kanan) (di ambil dari http://trialx.com dan http://www.ucsf.edu)

Berdasarkan kemampuan berdiferensiasi, stem cell dibagi menjadi beberapa sifat, yaitu: Totipotent. Masing-masing sel dapat berkembang menjadi individu baru. Yang termasuk dalam stem cell totipotent adalah zigot (telur yang telah dibuahi yang baru berumur 1-3 hari)  (Saputra V. 2006, Yu Junying dan Thomson J. A 2006, Pratiwi R. 2012). Pluripotent. Dapat berdiferensiasi menjadi 3 lapisan germinal: ektoderm, mesoderm, dan endoderm, tapi tidak dapat menjadi jaringan ekstrem bryonik, selain itu  Sel dapat membentuk lebih dari 200 tipe sel (Saputra V. 2006, Yu Junying and Thomson J. A 2006, Pratiwi R. 2012). Teori lama menyebutkan sel seperti ini hanya dapat ditemukan pafda embrio yang berumur 5-14 hari, akan tetapi dalam makalah ini disebutkan sifat ini dapat terjadi pada sel dewasa.  Multipotent. Dapat berdiferensiasi menjadi banyak jenis sel. Misalnya: hematopoietic stem cells, Jaringan janin, tali pusat, darah, dan stem cells dewasa (Saputra V. 2006). Unipotent,  hanya dapat menghasilkan 1 jenis sel (Pratiwi R. 2012). Tapi berbeda dengan non-stem cell, stem cell unipoten mempunyai sifat dapat memperbaharui atau meregenerasi diri (self-regenerate/self-renew) (Gambar 1) (Pratiwi R. 2012).

            Dogma biologi yang selama ini di pegang bahwa sel dewasa pada hewan tidak akan terprogram untuk berdeferensiasi kini goyah.  Dr. John B. Gurdon dan Dr. Shinya Yamanaka merupakan orang yang paling berjasa yang mengubah persepsi tersebut (Nobel prize committee, 2012). Dr. John Bertrand Gurdon adalah seorang ahli biologi berkebangsaan Inggris, University of Cambridge. Beliau  dikenal untuk penelitian dalam kloning dan transplantasi nuklir, Dr Gurdon menerima Penghargaan Lasker pada tahun 2009 dan sekarang Hadiah Nobel untuk Fisiologi atau Kedokteran 2012. Gurdon lebih popular padan masanya yaitu sekitar tahun 1995, penghargaan nobel diberikan berkat jasanya untuk pertama kalinya mengklon telur berudu (Nobel Prize Committee, 2012).

Gambar 3. Percobaan Dr. John B. Gurdon (Nobel prize committee, 2012). 1.       Penghilangan inti sel dengan menggunakan UV. 2.       Penggantian inti sel dengan inti sel dari sel epitel usus kodok 3.       Beberapa berkembang dan beberapa tidak berkembang 4.       Uji coba pada hewan hewan mamalia

Cara yang sama sebenarnya pernah dilakukan oleh Robert Bringgs dan Thomas King pada tahun 1952, percobaan tersebut menggunakan Rana pipiens, Penggantian inti sesama embrionik dapat tumbuh sampai berudu, akan tetapi apabila diganti dengan inti dari sel somatik maka tidak akan dapat tumbuh, mereke berkesimpulan  faktor tumbuh tersebut telah hilang sehingga tidak dapat berkembang menjadi individu baru. Percobaan serupa dilakukan oleh John B. Gurdon, dengan menggunakan Xenopus laevis dengan meneruskan penelusuran gurunya Fichberg dan Colleagues (Nobel prize committee, 2012).

            John B. Gurdon menggunakan UV untuk menghilangkan inti sel telur kodok, kemudian diganti dengan inti sel epitel usus, beberapa sel yang hasilkan tidak tumbuh, akan tetapi beberapa sel yang lain dapat tumbuh menjadi berudu (Nobel prize committee, 2012). Pada percobaan-percobaan berikutnya di uji cobakan ke hewan-hewan mamalia, sehingga percobaan inilah yang menjadi dasar Klonning (Gambar 3).

Gambar 4. Tingkat Penerimaan Clonning berdasarkan moral menurut agama Islam (Pratiwi R. 2012).

            Dr. Shinya Yamanaka yang berasal dari Kyoto university merupakan director Center for iPS Cell Research and Application dan seorang  profesor di the Institute for Frontier Medical Sciences di Universitas Kyoto  (Takahashi K., dan Yamanaka, S. 2006). Hasil penelitiannya telah membongkar paradigma lama yang berpendapat bahwa sel hewan akan kehilangan sifat pluripotentsinya apabila sel tersebut telah dewasa. Pengujian dilakukan dengan mencoba mengaktifkan reprogramming sel dengan memasukkan gen tertentu melalui perantara virus. Penemuannya merupakan langkah besar mengingat masih berkecimuknya penggunaan Embrionic stem cell pada beberapa Negara (Saputra V. 2006) (Gambar 4).

A.     2. Metode iPS (induced Pluripotent Cell) dan Penelitian Terkait

Gambar 5.  Pengujian iPS (induced Pluripotent Cell) (Rodolfa T. K. dan Eggan K. 2006) A.       Transformasi cDNA dan G418 selection. B.       Seleksi gene, sel positif menghasilkan β-galaktosidase  dan menjadi resisten terhadap konsentrasi tinggi neomisin. C.        ES (embryonic stem cell), iPS-MEF(mouse embryonic fibroblasts)

Pengembangan Induced pluripotent cell atau disingkat “iPS” sebenarnya merupakan arah pemikiran logis dari penelitian yang pernah ada, peristiwa pembuatan hewan cloning pada hewan, secara tidak langsung membuat pemikiran bahwa meskipun yang di transfer adalah inti dari sel dewasa, akan tetapi dalam perkembangannya, inti sel yang bisa dikatakan dewasa tadi, tetaplah mengkoordinir atau memicu perkembangan pembelahan deferensiasi, dasar lainnya ditemukannya factor transkripsi dan adanya ESC pada tikus  (Yamanaka S. 2012a). Namun selama ini pemahaman sifat ini sulit untuk dipahami, sampai akhirnya Dr. Shinya Yamanaka mencoba untuk menerjemahkannya. Induksi iPS dilakukan dengan cara menginfeksikan virus yang membawa gen β-galaktosidase yang resisten terhadap neomisin untuk seleksi. Retrovirus membawa cDNA yang khusus yang merupakan molekul calon pemrograman ulang, sehingga sel-sel yang di hasilkan merupakan sel yang berhasil di rubah menjadi pluripotent. Meskipun jumlah sel pluripotent yang dihasilkan sedikit, hasil penyeleksian dipermudah dengan antibiotic tadi (Rodolfa T. K. dan Eggan K. 2006, Takahashi K., dan Yamanaka, S. 2006, Nobel prize committee, 2012)  (Gambar 5).

Gambar 6. Pengujian koloni G418 dengan kombinasi gen factor (Rodolfa T. K. dan Eggan K. 2006).

Embryonic fibroblast dan fibroblast di ambil dari ujung ekor (untuk pengujian) tikus dewasa, Pada awalnya Dr. Yamanaka, menduga 24 kandidat gen yang dapat mengaktifkan keadaan sel, sebelumnya senyawa-senyawa ini telah diujikan terlebih dahulu ke sel embryonic fibroblast (Rodolfa T. K. dan Eggan K. 2006, Takahashi K., dan Yamanaka, S. 2006, Nobel prize committee, 2012). Kandidat gen-gen tersebut adalah Ecat1, Dppa5 (Esg1), Fbxo15, Nanog, ERas, Dnmt3l, Ecat8, Gdf3, Sox1, Dppa4, Dppa, Fthl17, Sall4, Oct3/4, Sox2, Rex1 (Zfp42), Utf1, Tcl1, Dppa3 (Stella), Klf4, β-catenin, c-Myc, Stat3, Grb2, Ips (Rodolfa T. K. dan Eggan K. 2006). Cara penyeleksian menggunakan gen marker dengan asumsi apabila β- galaktosidase maka sifat pluripotent dapat dipastkan ada. setelah di analisis lebih lanjut, tersisa sepuluh kandidat senyawa, dan akhirnya ada 4 senyawa aktif (Rodolfa T. K. dan Eggan K. 2006, Takahashi K., dan Yamanaka, S. 2006).

Pada percobaan selanjutnya,  koloni  tidak terbentuk apabila factor gen Oct3 / 4 atau Klf4 di hilangkan. Penghapusan Sox2 mengakibatkan hanya beberapa G418-tahan koloni. Ketika c-Myc dihilangkan, G418-tahan juga tidak ada tanda-tanda pluripotent (Rodolfa T. K. dan Eggan K. 2006, Takahashi K., dan Yamanaka, S. 2006). Pemindahan satu factor tidak menunjukkan adanya tanda-tanda pluripotent sehingga disimpulkan bahwa Oct3 / 4, Klf4, Sox2 , dan c-Myc memainkan peran penting dalam generasi sel iPS dari MEFs (Yamanaka, S. 2012a). Kombinasi dua factor dari 4 kandidat tadi juga tidak menghasilkan hasil maksimal, sedangkan pemberian 3 faktor Oct3/4, Sox2 dan klf4 menghasilkan koloni, tapi penampakannya berbeda dari 4 faktor, hal serupa juga terjadi pada kobinasi Oct3/4, Sox2  dan C-Myc (Gambar 6) (Rodolfa T. K. dan Eggan K. 2006, Takahashi K., dan Yamanaka, S. 2006a).

Sejak tahun 2006, setelah pertama kalinya stem cell dilakukan pada sel dewasa, banyak penelitian yang dilakukan, selain karena semakin longgarnya peraturan yang berkaitan dari segi pemerintah, social, budaya dan agama.  Setidaknya ada 100 laporan yang membahas penelitian ini (Rodolfa T. K. dan Eggan K. 2006). Kekhawatiran menggunakan virus dalam aplikasi pengobatan membuat para ilmuan dalam beberapa tahun terakhir memikirkan metode-metode lain. Metode ini meliputi yang dilaporkan beberapa ilmuan; plasmid, Sendai virus, adenovirus, sintesis RNA, dan protein (Rodolfa T. K. dan Eggan K. 2006, Nobel prize committee, 2012). Selain itu, upaya telah dilakukan untuk menginduksi pemprograman ulang oleh molekul kecil. Di antaranya, plasmid dan Sendai virus sekarang secara rutin digunakan di banyak laboratorium (Rodolfa T. K. dan Eggan K. 2006, Nobel prize committee, 2012).  Di Pusat Penelitian your iPS dan Aplikasi, Kyoto University, metode favorit yang digunakan adalah menggunakan plasmid episomal baik retrovirus atau plasmid episomal untuk penelitian in vitro. Mereka lebih memilih metode ini karena lebih sederhana dan reproduktif (Rodolfa T. K. dan Eggan K. 2006).

Pada  aplikasi medis, dalam waktu yang begitu singkat setelah ditemukan, banyak penyakit yang dapat disembuhkah antara lain Amyotrophic lateral sclerosis (ALS), Rett syndrome, spinal muscular atrophy (SMA), α1-antitrypsin deficiency, familial hypercholesterolemia dan glycogen storage disease type 1A, dan sebagainya termasuk beberapa syndrome seperti Leopard syndrome (Nobel prize committee, 2012) dan penyakit Alzeimer yang penelitiannya sekarang masih berjalan (Israel et al. 2012). iPSCs dapat digunakan dalam bioteknologi hewan dan rekayasa genetika. Monyet, babi, dan anjing. Di masa depan, mungkin dapat digunakan untuk transplantasi organ manusia (Yamanaka S. 2012a). strategi yang sama. Sejauh ini para ilmuan masih berusaha mencari faktor tunggal untuk dijadikan kombinasi.

A.     2. Tantangan Penelitian

Sampai saat ini, bersumber dari kesuksesan pemprograman sel dewasa menjadi pluripotenet, banyak penelitian untuk memastikan kegunaan serta potensinya untuk di terapkan di dunia kesehatan. Salah satu pertanyaan yang paling penting tentang iPSCs adalah apakah mereka berbeda dari ESCs? (Yamanaka S. 2012ab) sampai saat makalah ini di tulis belum ada yang dapat memastikan mengenari perbedaan antara Embrionik stem cell degan iPSCs.      pertanyaan kedua, apakah kemampuan sel iPSCs secara fungsional berbeda dari ESCs? (Yamanaka S. 2012ab) Perbedaan ini diteliti melalui penkulturan secara invitro. Mereka menunjukkan bahwa semua klon ESC dibedakan menjadi PAX6 sel positif, dengan keberhasilan lebih dari 90%, tetapi klon iPSC menunjukkan diferensiasi yang lebih sedikit,  berkisar 10% sampai 50% saja (Nobel prize committee, 2012). Namun, Boulting et al., 2011 memeriksa kemampuan  16 klon iPSC manusia berdiferensiasi menjadi neuron motor dan menemukan bahwa 13 klon sebanding dengan ESCs. Sehingga dapat disimpulkan yang ada kesamaan antara iPSCs dan ESCs (Yamanaka S. 2012b) .

Gambar 7. Sifat overlapping antara ESC dan iPSC (Yamanaka, S. 2006a, Yamanaka, S. 2012b)

Secara keseluruhan, studi ini menunjukkan bahwa iPSC klon dan klon ESC telah tumpang tindih dalam hal sifat (Gambar 7). Data-data yang ada menunjukkan bahwa pemrograman ulang tidak lengkap atau tidak sempurna bukan masalah mendasar terkait dengan iPSCs (Yamanaka S., 2012a). Sebaliknya, perbedaan dalam kualitas klon iPSC tampaknya sebagian besar disebabkan oleh variabel teknis, seperti kombinasi faktor, metode pengiriman gen, dan kondisi kultur yang digunakan. Selain itu, beberapa variasi antara klon iPSC dapat dikaitkan dengan peristiwa stokastik selama pemrograman ulang, yang tidak dapat dikendalikan. Dengan demikian, evaluasi dan seleksi akan menjadi penting untuk mengidentifikasi klon iPSC yang cocok untuk aplikasi medis (Yamanaka S., 2012a).

KAJIAN PUSTAKA

Cambell N. A., Reece J. B., Urry L. A., Cain M. L., Wasserman S. A., Minorsky P. V., & Jackson R. B. 2008. Biologi, edisi 8, jilid 1. Jakarta= Erlangga.

Cambell N. A., Reece J. B., Urry L. A., Cain M. L., Wasserman S. A., Minorsky P. V., & Jackson R. B. 2009. Biology 9^th edition. E-book

Dallman. 2009 video. Youtube. Essential Cell biology, 3 rd Edition by Albert, Bray, Hopkin, Johnson, Lewis, Raff, Robert, dan Walter. By Gorland Science

Fernholm A. 2012. Cell and sensibility. The royal swedish academy of sciences  http://kva.se

Israel et al. 2012. Probing sporadic and familial Alzheimer’s disease using induced pluripotent stem cells. doi:10.1038/nature10821

Lefkowitz R. J., 2004. Historical review: A brief history and personal retrospective of seven-transmembrane receptors. TRENDS in Pharmacological Sciences Vol.25 No.8

Linse S. S. 2012.  Studies of g-protein–coupled receptors. The nobel committee for chemistry. Box 50005 (lilla frescativägen 4 a), se-104 05 stockholm, sweden

Nobel prize committee, 2012. Mature cell can be reprogrammed to become pluripotent.

Pratiwi R. 2012. Aplikasi Dan Rekayasa Materi Genetik Pada Hewan Dan Manusia. PPT matakuliah rekayasa genetika 2012.

Pressmeddelande, 2012. The Nobel Prize in Chemistry 2012. BOX 50005, SE-104 05 Stockholm, Sweden.

Rodolfa T. K. dan Eggan K. 2006. A Transcriptional Logic for Nuclear Reprogramming. Cell 126, August 25, 2006 ©2006 Elsevier Inc : 652-656.

Saputra V. 2006.  Dasar-dasar Stem Cell  dan Potensi Aplikasinya  dalam Ilmu Kedokteran. Business Development Corporate Department, PT Kalbe Farma Tbk. Jakarta, Indonesia. Cermin Dunia Kedokteran No. 153.

Steward K. B. 2007.  The Human Genetic Code- The Human Genome Project and Beyont. (www. Genetic. Edu. Au).

Takahashi, K., dan Yamanaka, S. (2006). Induction of Pluripotent Stem Cells from Mouse Embryonic and Adult Fibroblast Cultures by Defined Factors. J. Cell. 126.

Williams R. 2010. Robert Lefkowits: godfather of G Protein-Coupled Receptor. http://circres.ahajournals.org/cgi/content/full/106/5/812.

Yamanaka S. 2012a. Induced Pluripotent Stem Cells: Past, Present, dan Future Shinya. Cel press DOI 10.1016/j.stem.2012.05.005.

Yamanaka S. 2012b. Video pidato penerimaan nobel 2012. Download. http://www.ucsf.edu/news/2012/10/12915/shinya-yamanakas-road-2012-nobel-prize-medicine.

 Yu Junying dan Thomson J. A 2006. Embryonic Stem Cells. Science 20 Jan 2006; Vol. 311. No. 5759, p. 335

http://trialx.com

http://ucsf.edu

http://chile.usembassy.gov